一种组织和性能优化的低碳贝氏体钢生产方法

技术领域

本发明涉及一种提高钢的强度和韧性的工艺，具体的说是一种组织和性能优化的低碳贝氏体钢生产方法。

背景技术

低碳贝氏体钢广泛应用于工程机械、输油气管线、桥梁、造船、车辆制造和航空等领域，由于服役条件及焊接工艺的限制，对这类用途的钢板性能要求越来越高，不仅要具有足够的强度和塑性，而且还要求具备一定的低温韧性和优良的焊接性能，以适应野外作业和制造工艺的要求。低碳贝氏体钢是以钼钢或硼钢为基础，同时加入锰、铬、镍以及其他微合金元素(铌、钛、钒)，而开发出的一系列低碳贝氏体钢种。国外学者根据贝氏体相变理论对贝氏体钢进行了大量的研究，设计了不同成分的钢种和生产工艺，形成了不同系列的贝氏体钢，大大推动了贝氏体钢的发展及应用。我国低碳贝氏体钢的控轧控冷研究和应用相对较晚，在20世纪80年代初才开始这方面的工作。在生产过程中，经常出现屈服强度、抗拉强度和屈强比过高，而冲击功不符合要求的情况，在成分设计及轧制工艺上很难达到完美的结合。

在开发研制控轧控冷贝氏体钢的过程中，需要进行新产品的设计和组织性能的优化控制，因此，热模拟技术起到了至关重要的作用，它融力学、材料学、机械学、工程检测技术以及计算机等领域的知识为一体，成为一项综合性的实验手段，在现代材料科学的研究领域中具有极其重要的地位。通过运用材料和工艺过程的物理模拟技术可研究材料在相变过程中由于热和力学行为的作用而引起的物理冶金现象，并且可建立定量的力学冶金模型，物理模拟技术在提高钢铁产品性能、新品种、新工艺的开发等诸多方面正发挥着越来越重要的作用。一方面，现场试验是项耗时耗资的巨大工程，周期较长，而运用物理模拟技术可以节省大量的费用、时间和精力；另一方面，可以对所要研究的各种工艺参数进行精确的控制，使工业生产在实验室得到再现，每个工艺控制参数如温度、道次压下量、轧制速度、冷却速度等对产品性能的影响可以借助模拟实验机进行分析研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种组织和性能优化的低碳贝氏体钢生产方法，该方法通过调整贝氏体钢中B、Ti、Al(全)、Al(酸溶)和V等元素的含量，运用热模拟技术进行工艺设计，来实现组织和性能的优化，得到组织和性能优化的低碳贝氏体钢，低碳贝氏体钢的各项力学性能达到很好的匹配。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种组织和性能优化的低碳贝氏体钢生产方法，其特征在于按如下步骤进行：

1)冶炼：采用真空感应炉冶炼，调整化学成分，使主要合金元素的重量百分比为：C：0.04％～0.08％，Si：0.15％～0.50％，Mn：1.50％～1.80％，P：≤0.02％，S：≤0.003％，Nb：0.03％～0.06％，Ti：0.006％～0.035％，B：0.0008％～0.0012％，Al(全)：0.008％～0.072％，Al(酸溶)：0.006％～0.066％，Cr：0.22％～0.50％，Mo：0.10％～0.20％，V：0～0.050％，其余为Fe和杂质元素；杂质元素控制在P：≤0.02％，S：≤0.003％.

2)对上述化学成分的低碳贝氏体钢铸锭进行热轧，在热力模拟试验机上以8～10℃/s的升温速率升到1200～1250℃，使Nb固溶到奥氏体中，有利于贝氏体的形成，并保温8～10分钟。

3)对在1200～1250℃保温8～10分钟后的热轧试样进行两阶段控轧；先以3～8℃/s的速率降到1100～1150℃，以应变速率1～10s^-1，40％变形量将试样压缩，然后以9～12℃/s的速率降温到850～900℃，以应变速率1～10s^-1，50％变形量再次将试样压缩；可以以5℃/s的速率降到1100～1150℃；以10℃/s的速率降温到850～900℃。

4)将进行过两阶段压缩过的试样弛豫10～90s，以5～20℃/s的冷却速度将试样冷却到200～580℃，得到组织和性能优化的低碳贝氏体钢。

本发明的低碳贝氏体钢的主要成分设计理由如下：

碳：碳是强化结构钢最有效的元素，而且也是最经济的元素，然而碳对韧性、塑性、焊接性等影响很大，会使韧性和塑性等大大降低，降低碳含量可以改善转变温度和钢的焊接性。

硅：硅是炼钢脱氧不可缺少的元素，起到一定的固溶强化作用，但硅太低或太高都有不利影响，当含量低于0.05％时，难以发挥充分的脱氧效果，当硅含量太高超过0.50％时，对钢的韧性和焊接性能均不利，因此本发明将硅定在0.15％～0.50％之间。

锰：钢中含碳量的降低使屈服强度下降可以以锰代碳，起到固溶强化作用以保其强度。且锰铁价格低廉，在一定范围内增加钢强度的同时几乎不降低钢的塑性和韧性，对贝氏体转变有较大的促进作用，添加1.0％～1.5％的Mn能降低γ→α相变温度50℃，当添加1.5％～2.0％Mn时，可获得针状铁素体组织。

铌：铌是低碳贝氏体钢中不可缺少的微合金元素，可以产生非常显著的晶粒细化及中等程度的沉淀强化作用，并可改善低温韧性，Nb原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，对位错攀移产生强烈的拖曳作用，使再结晶形核受到限制，Nb可有效地延迟奥氏体再结晶，阻止奥氏体晶粒长大，提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒。

钛：钢中钛的作用与Nb、V相似，在阻止奥氏体晶粒长大方面，Nb、Ti较明显，V较弱；在奥氏体中，通过弥散细小的TiN颗粒可抑制奥氏体晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性，但Ti的加入必须谨慎控制与N原子配比，因为当Ti/N原子配比超过3.4时，增加的Ti会形成碳化物，从而恶化钢的韧性。

硼：加入微量的硼，充分利用硼在相变动力学上的重要特性，加入硼可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，并可使贝氏体转变曲线变得扁平，从而在低碳的情况下，在较宽冷却速度范围内都可得到贝氏体组织，高强度低碳贝氏体钢中添加超微量合金元素硼可以使钢的强度大幅度提高，尤其使抗拉强度增加更为明显，故本发明将硼的含量限定在0.0008％～0.0012％范围内。

铝：铝是脱氧元素，与氮形成弥散度较大的氮化铝，从而减少了以间隙相存在的自由氮，降低钢的韧脆性转变温度，改善钢的低温冲击性能，有效细化晶粒。本发明将Al(全)范围控制在0.008％～0.072％内，Al(酸溶)控制在0.006％～0.066％内。

钼：钼对于轧制时奥氏体晶粒的细化和贝氏体的形成具有重要的作用。

铬：根据不同的强度级别和钢板厚度，加入适量的铬，可以提高强度，也能促进贝氏体转变，有助于奥氏体晶粒的细化。

钒：钒可以在奥氏体晶粒内形核，分割板条状的贝氏体，提高冲击功。

钢中的杂质元素控制：P：≤0.02％，S：≤0.003％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：在不改变现有生产条件下，通过调整贝氏体钢中B、Ti、Al(全)、Al(酸溶)和V等元素的化学成分来实现组织和性能的优化，运用热模拟技术节省大量的费用、时间和精力，可以对所要研究的各种工艺参数进行精确的控制，使工业生产在实验室得到再现，每个工艺控制参数如温度、道次压下量、轧制速度、冷却速度等对产品性能的影响可以借助热模拟试验机进行分析研究。

附图说明

图1为实施例1之前的低碳贝氏体钢原扫描电镜图片。

图2为采用实施例1方法后的扫描电镜图片。